弥散张量成像在腰椎间盘早期退化研究中的应用价值

赖志权

（河源市人民医院 医疗设备科，广东 河源517000）

弥散张量成像在腰椎间盘早期退化研究中的应用价值

赖志权

（河源市人民医院 医疗设备科，广东 河源517000）

目的 弥散张量成像 （DTI）可以无创伤地探测人体腰椎间盘退化中的间质改变，本研究应用弥散张量成像来研究人体腰椎间盘在不同年龄段的早期退化现象。方法 本研究招募了30名25～67岁无腰部受伤史且无腰痛症状的正常志愿者。所有被试在本院一台1.5T临床磁共振上行单次激发回波平面DTI扫描，DTI图像经离线后处理得到定量的弥散各向异性图 （FA）和平均弥散系数 （MD），随后对腰椎间盘髓核区域的FA和MD数值提取后进行直方图分析。应用非参数Mann－Whitney test在两个不同年龄组之间比较FA和MD的平均值。结果 老年组腰椎间盘的MD显著降低 （P＜0.001），FA显著升高 （P＜0.001）。结论 衰老过程中人体腰椎间盘的早期退化性改变可以通过DTI的定量参数来反映，而此时常规解剖图像上并无发现。很有必要进一步研究腰椎间盘退化级别和DTI定量参数的相关性，这样可以推进DTI在椎间盘退化的临床应用。

弥散张量成像；腰椎间盘退化

0 研究背景

椎间盘是位于人体两个椎体之间具有流体力学特性的结构，由中央部分富有弹性的髓核 （nucleus pulposus，NP）和周围的纤维环 （annulus fibrosus，AF）组成。髓核和纤维环具有完全不同的成分和结构，其中纤维环由多层胶原纤维按同心圆排列， 而髓核包含大量的蛋白多糖， 无定向结构。 有研究［1－2］表明在人体衰老的过程中，髓核和纤维环内都会发生组织结构的变化，均有纤维化现象，且两者之间的成分、结构差异会减弱［3］。虽然人们都认为椎间盘退化受到人体衰老中的某些生理过程影响，但是衰老过程引发椎间盘退化的深层机制和成分变化［4］却尚未探明。

部分椎间盘的研究［5－6］应用弥散加权成像 （DWI）技术来无创地探测其中水分子的扩散特性，发现退化椎间盘中表观弥散系数 （ADC）数值降低，和水分流失及间质结构完整性被破坏有一定相关性，但它们均未研究椎间盘的弥散特性变化与年龄之间的相关性，而且这些研究使用的ADC数值会随着DWI采集中弥散梯度方向的不同而变化，是一个半定量参数，并不能完整地反映组织内的水分子弥散特性。因而有必要使用一个不受弥散梯度方向影响的更为客观的弥散测度来研究椎间盘的结构成分变化。

弥散张量成像 （DTI）技术使用一个椭球体来代表一个体素内的水分子弥散快慢的空间分布特征，相比于传统的ADC测度能更完整地描述组织微结构特征。DTI技术自出现以来被广泛地应用于大脑［7］、 脊髓［8］、 肝脏［9］和心脏［10］等多个器官或组织的结构研究。DTI技术有多个测度，其中各向异性FA和平均弥散系数MD应用最多。FA反映生物组织内水分子沿空间不同方向弥散速度的差异程度，而MD代表不同方向弥散系数的平均值。

本研究的目的是使用DTI技术来研究不同年龄组中人腰椎间盘的弥散特性变化，反映人体衰老过程当中的腰椎间盘间质微观结构变化，这些变化对于人体椎间盘早期退化的研究有重大意义。

1 研究方法

1.1 受试

本研究获得医院伦理委员会批准，并告知受试者研究目的和内容，均签署知情同意书。共招募30名无腰部受伤史、无腰痛症状的正常志愿者，其中19名女性，11名男性，平均年龄 （46.8±13.3）岁，年龄范围25～67岁。30名受试被分为两个年龄组：青年组 （25～48岁，平均年龄34.7岁，14人）和老年组 （53～67岁，平均年龄57.6岁，16人）。

两名放射科医生独立对所有受试的腰椎间盘T2w图像按照Schneiderman标准鉴定退化分级，在150个椎间盘中最终判别出85个未退化，这些未退化椎间盘将作为DTI研究对象。

1.2 图像采集

磁共振图像采集在本院放射科GE 1.5T HDi（GE Medical System，Milwaukee，WI）扫描仪上完成，采集线圈为相控阵脊柱线圈。每位受试行矢状位DTI序列扫描，覆盖L1／L2到L5／S1共5节腰椎间盘，b值为500 s／mm2，15个弥散方向，频率编码方向为S／I，为了减少相位方向伪影，添加2个饱和带压制椎间盘之前的腹部信号，其他扫描参数具体如下：重复时间TR 3 000 ms，回波时间TE 71 ms，FOV 180 mm，成像矩阵128×128，12层，层厚／层间隔5 mm／1 mm，重复采集次数NEX 4，序列扫描时间为6分24秒。此外还扫描了矢状位高分辨T2w图像，FSE T2w序列参数为：TR 2 500 ms，TE 90 ms，FOV 180 mm，成像矩阵256×256，回波链19，12层，层厚／层间隔5 mm／1 mm，NEX 2，序列扫描时间为2分5秒。

1.3 数据处理和统计分析

DTI图像推送到GE AW工作站上进行后处理，得到FA图和MD图，并以DICOM格式导出，此外T2w也一并导出，作下一步直方图分析 （Histogram Analysis）使用。将DTI功能图像和T2w进行融合显示，在T2w的中间层面上勾勒髓核ROI，并叠加到DTI功能测度FA图和MD图上，在MATLAB中编程获得髓核内所有体素的FA和MD数值，并进行直方图分析，计算峰值和峰位。

在SPSS 18.0软件中应用非参数Mann－Whitney检验方法比较青年组和老年组间腰椎间盘髓核FA和MD分布峰值和峰位的组间差异，P＜0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

图1显示了一名青年受试 （25岁女性）和一名老年受试（58岁女性）的腰椎间盘T2w图像和DTI测度FA图、MD图融合显示效果，这两名受试的5节腰椎间盘均未退化。

图2显示了青年组和老年组腰椎间盘髓核FA和MD的直方图分布特征，图中对比发现青年组的FA峰位低于老年组，而MD峰位高于老年组，线性衰减分析进一步发现在老年组中FA和MD变化的速率加快。

图1 T2w和FA、MD融合图

图2 腰椎间盘髓核FA和MD的直方图分布

图3为统计分析结果，FA和MD的峰位和峰值在两个年龄组别之间均有显著差异性，其中FA峰位、MD峰值和峰位的P值＜0.001，FA峰值的P值＜0.05。

图3 FA和MD的峰位和峰值的统计学结果

3 讨论

传统影像学研究往往采取勾勒ROI比较ROI内测度平均值的方式，这种方法获得的平均值受ROI大小、位置等主观因素影响很大。本研究使用直方图分析方法，比较ROI内数值的分布特征，如峰值和峰位，这些直方图分布特征受ROI的大小和位置影响相对较小，因而更为客观。由于腰椎间盘纤维环含水分少，在DTI扫描中信噪比过低，故本研究只对中央部的髓核进行直方图分析和统计比较。

本研究结果显示，青年组髓核的 MD为 （1.75～2.25）× 10－3mm2／s，老年组为 （1.51～2.02）×10－3mm2／s，与其他椎间盘DWI研究报道的ADC（1.1～2.3）×10－3mm2／s比较吻合，位于中间数值范围。本研究得到的青年组髓核 FA值为0.1～0.2，老年组FA为0.13～0.23。由于之前没有椎间盘的研究使用过DTI，因而无法比较。

通过直方图分析，本研究发现从青年到老年的衰老过程中，髓核的FA值降低，这和期间髓核的纤维化和微结构复杂化相关。前期研究［11－12］已经证实人体衰老过程中椎间盘髓核会发生成分和结构的剧烈变化，从青年期的类液体弹性状态演变为老年期的类固体纤维状态，而且这种变化随着年龄的增长而加快速度，FA和MD的线性变化加快也反映了这一趋势。同时，本研究还发现髓核MD随年龄而降低，这可能反映了期间髓核水分的流失和体积的萎缩。有研究［13］报道在老年化过程中，髓核和纤维环中的蛋白多糖含量会显著降低，而髓核中的胶原含量基本不变。因而，本研究认为髓核中蛋白多糖的减少使髓核保持水分的能力和弹性都减弱，进而造成水分的流失。

本研究存在三点不足。首先，DTI图像中纤维环信噪比不足，只研究了髓核的变化，下一步研究需要提高信噪比，得到纤维环FA图和MD图。其次，研究的受试数目较少，因而没有使用双样本t检验，而是采用非参数检验统计方法。最后，只研究了无腰痛症状的正常志愿者，无法得到FA、MD数值和临床症状如腰痛的相关性。

综上所述，本研究的初步结果表明DTI测度的直方图分布特征可以发现老年化过程中的腰椎间盘早期退变，而常规解剖磁共振图像如T2w上无法观测到这些变化。DTI技术可以用于腰椎间盘退化的早期发现和进展跟踪，对此疾病的及时诊断治疗有重大意义。

[1] Gruber HE,Hanley EN Jr.Ultrastructure of the human intervertebral disc during aging and degeneration:comparison of surgical and control specimens[J].Spine(PhilaPa 1976),2002,27(8):798-805.

[2] Singh K,Masuda K,Thonar EJ,et al.Age-related changes in the extracellular matrix of nucleus pulposus and anulus fibrosus of human intervertebral disc[J].Spine(PhilaPa 1976),2009,34(1):10-16.

[3] Sether LA,Yu S,Haughton VM,et al.Intervertebral disk:normal agerelated changes in MR signal intensity[J].Radiology,1990,177 (2):385-388.

[4] Boos N,Weissbach S,Rohrbach H,et al.Classification of age-related changes in lumbar intervertebral discs:2002 Volvo Award in basic science[J].Spine(Phila Pa1976),2002,27(23):2631-2644.

[5] Antoniou J,Demers CN,Beaudoin G,et al.Apparent diffusion coefficient of intervertebral discs related to matrix composition and integrity [J].Magn Reson Imaging,2004,22(7):963-972.

[6] Kerttula LI,Jauhiainen J,Tervonen O,et al.Apparent diffusion coefficient in thoracolumbar intervertebral discs of healthy young volunteers [J].J Magn Reson Imaging,2000,12(2):255-260.

[7] Basser PJ,Pierpaoli C.Microstructural and physiological features of tissues elucidated by quantitative-diffusion-tensor MRI.1996[J].JMagn Reson,2011,213(2):560-570.

[8] Rossi C,Boss A,Lindig TM,et al.Diffusion tensor imaging of the spinal cord at 1.5 and 3.0 Tesla[J].Rofo,2007,179(3):219-224.

[9] Cheung JS,Fan SJ,Gao DS,et al.Diffusion tensor imaging of liver fibrosis in an experimental model[J].J Magn Reson Imaging,2010, 32(5):1141-1148.

[10] Holmes AA,Scollan DF,Winslow RL.Direct histological validation of diffusion tensor MRI in formaldehyde-fixed myocardium[J].Magn Reson Med,2000,44(1):157-161.

[11] Singh K,Masuda K,Thonar EJ,et al.Age-related changes in the extracellular matrix of nucleus pulposus and anulus fibrosus of human intervertebral disc[J].Spine(Phila Pa 1976),2009,34(1):10-16.

[12] Gower WE,Pedrini V.Age-related variations in proteinpolysaccharides from human nucleus pulposus,annulus fibrosus,and costal cartilage[J].J Bone Joint Surg Am,1969,51(6):1154-1162.

[13] Antoniou J,Steffen T,Nelson F,et al.The human lumbar intervertebral disc:evidence for changes in the biosynthesis and denaturation of the extracellular matrix with growth,maturation,ageing,and degeneration[J].J Clin Invest,1996,98(4):996-1003.

（责任编辑：常海庆）

Application Value of Diffusion Tensor Imaging in the Study of Early Degeneration in Human Lumbar Intervertebral Disc

LAI Zhiquan
(Depeartment of Medical Equipment,Heyuan People's Hospital,Heyuan 517000,China)

ObjectiveDiffusion tensor imaging(DTI)may noninvasively detect degenerative matrix alterations in human lumbar intervertebral discs(IVDs).This study aimed to investigate age-related degenerative changes in human lumbar IVDs using DTI.Methods30 asymptomatic volunteers ranging from 25 to 67 years old underwent single-shot diffusion weighted echo-planar imaging on a 1.5T scanner. DTI-derived fractional anisotropy(FA)and mean diffusivity(MD)in nucleus pulposus were analyzed by histogram analysis.A Mann-Whitney test was used to compare the mean values of FA and MD between young and elderly groups.ResultsAge-related changes were significant in the elderly adult group,with decrease of MD(P＜0.001)and increase of FA(P＜0.001).ConclusionsEarly degenerative-related changes in the IVDs through aging can be quantified by DTI-derived metrics other than morphological images.It would be worthwhile to validate the relationship between DTI metrics and the actual degenerative status of IVDs by studying patients with degenerative discs in order to further explore the clinical usefulness and relevance of DTI.

Diffusion tensor imaging;Lumbar intervertebral discs degeneration

R339.3+8

A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.04.0440

2016－08－18

2016－11－22

赖志权 （1981－），男，广东河源人，本科学历，医疗器械工程师，从事医院医疗器械管理工作。